一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法与流程

1.本发明涉及的模型精度校验技术领域，尤其涉及一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法。


背景技术：

2.多能源系统旨在提高能源利用性能，即供能系统的安全性、效率、可持续性、灵活性和自愈能力，多能源系统是将电力系统、天然气系统、冷暖系统、分布式能源、储能、能量转换和智能信息物理系统与终端用户紧密相连的综合系统。
3.目前，多能源系统的运行控制受限于具体的控制策略和海量的碎片信息，降低了多能源系统的安全性和经济性，除此之外，拓扑结构的改变和操作数据的有限访问权限也会影响传统规划结构的有效性，数字孪生技术为实现多能源系统的全景感知和持续控制提供了一种新途径，与采用物理场耦合动力学方程描述运动机理的传统知识驱动建模方法不同的是，构建数字孪生需要采用知识和数据共同驱动的思路，数字孪生模型不仅表现为各种代数的、微分或偏微分形式的数学方程，还包括用于实现物理系统与虚拟模型之间的同步的海量系统量测状态数据，以及利用历史状态数据通过统计和机器学习的构建的描述运动规律的相关性模型，这就导致数字孪生模型不是一组恒定不变的数学方程式，而是一个参数时变、持续更新的进化模型，虽然现在针对传统仿真模型的精度校验开展了大量的研究，但基本都是通过比较数值仿真结果与实测数据的误差来对仿真模型的精度进行校验，缺乏针对数字孪生模型这种非线性时变模型的实时在线精度校验方法，因此亟需一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法，通过实时监控系统参数的变动情况，来对仿真模型的精度进行持续的在线校验。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法。
6.因此，本发明解决的技术问题是：目前已有的技术主要集中在通过比较数值仿真结果与实测数据的误差来对传统仿真模型进行精度校验方面，难以结合量测数据的实时变化情况，无法对数字孪生模型这种非线性时变模型的精度进行实时的监控和持续不断的自动校验，进而帮助开展模型及参数校正工作。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法，所述在线校验方法包括如下步骤：
8.判断多能源系统数字孪生模型参数是否变动，根据模型参数变动情况选择是否进行模型精度的在线校验；
9.若模型参数变动，则触发模型精度的在线校验，将多能源系统数字孪生模型重构，并导入触发时刻前一定时间段内所有状态量、输入量和输出量的录波波形，得到录波数据矩阵；
10.选择录波波形任一时刻的断面，作为重构后的多能源系统数字孪生模型的初始状态，在该时刻的断面处启动电磁暂态仿真程序，设定仿真时长，对重构后的多能源系统数字孪生模型执行仿真计算，求解状态空间方程，获取该时刻后一定时间段内所有状态量、输入量和输出量的仿真波形，得到仿真数据矩阵；
11.通过计算录波数据矩阵和仿真数据矩阵的差值矩阵二范数对数字孪生模型的精度进行校验。
12.作为本发明所述的多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的一种优选方案，其中：所述判断模型参数是否变动包括如下步骤：
13.模型选择：利用状态空间方程描述多能源系统数字孪生模型，将其作为待校验的多能源系统数字孪生模型；
14.事件监测：将状态空间方程式中各系数矩阵a、b、c、d存入数据库中，实时监测其变动情况，将数据内容发生变动视作一次事件，从而触发模型精度的在线校验。
15.作为本发明所述的多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的一种优选方案，其中：所述状态空间方程的一阶微分方程组，如下所示：
[0016][0017]
其中，x为状态向量，x＝[x1，x2，x3，...]
t
，u为输入向量，u＝[u1，u2，u3，...]
t
，y输出向量，y＝[y1，y2，y3，...]
t
，式中各系数矩阵a、b、c、d均由系统的元件参数确定，若为线性非时变系统，则各系数矩阵a、b、c、d均为常数，若为线性时变系统，则各系数矩阵a、b、c、d均为时间函数。
[0018]
作为本发明所述的多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的一种优选方案，其中：所述多能源系统数字孪生模型重构包括如下步骤：
[0019]
若触发多能源系统数字孪生模型在线校验命令，则获取在线校验命令的触发时刻的各系数矩阵，修改多能源系统数字孪生模型。
[0020]
作为本发明所述的多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的一种优选方案，其中：所述修改多能源系统数字孪生模型还包括：若所述在线校验命令的触发时刻为t
s
，则修改后的多能源系统数字孪生模型表示为
[0021][0022]
其中，a
s
、b
s
、c
s
、d
s
为模型参数变动后的各系数矩阵。
[0023]
作为本发明所述的多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的一种优选方案，其中：所述得到录波波形矩阵包括如下步骤：
[0024]
获取多能源系统所有状态量、输入量和输出量的录波波形文件，在t
s
时刻触发校验命令后，导入t
s
时刻前一定时间段t
r
～t
s
内所有状态向量x
r
(t
r
，t
s
)、输入向量y
r
(t
r
，t
s
)和输出向量u
r
(t
r
，t
s
)的录波波形，进而得到录波数据矩阵r(t
r
，t
s
)，
[0025]
r(t
r
，t
s
)＝[x
r
(t
r
，t
s
)u
r
(t
r
，t
s
)yr(t
r
，t
s
)]，
[0026]
其中，
[0027][0028][0029][0030]
其中，δt
r
为录波采样时间间隔。
[0031]
作为本发明所述的多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的一种优选方案，其中：所述选择录波波形任一时刻的断面包括如下步骤：
[0032]
在一定时间段t
r
～t
s
内选择录波波形某一时刻t0的断面，并获取所述某一时刻的录波数据r(t0)，
[0033]
r(t0)＝[x
r
(t0) u
r
(t0) y
r
(t0)]，
[0034]
其中，
[0035]
x
r
(t0)＝[x1(t0)，x2(t0)，x3(t0)，...]
t
[0036]
u
r
(t0)＝[u1(t0)，u2(t0)，u3(t0)，...]
t
[0037]
y
r
(t0)＝[y1(t0)，y2(t0)，y3(t0)，...]
t
[0038]
将其作为重构后的多能源系统数字孪生模型的初始状态。
[0039]
作为本发明所述的多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的一种优选方案，其中：所述对重构后的多能源系统数字孪生模型执行仿真计算，求解状态空间方程包括如下步骤：
[0040]
获取重构后的多能源系统数字孪生模型在t0时刻的状态量、输入量、输出量，在t0时刻的断面处启动电磁暂态仿真程序，仿真时长设定为t
s
‑
t0，对重构后的多能源系统数字孪生模型执行仿真计算，并求解重构后的多能源系统数字孪生模型的状态空间方程。
[0041]
作为本发明所述的多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的一种优选方案，其中：所述得到仿真数据矩阵包括如下步骤：
[0042]
根据仿真结果，得到仿真数据矩阵s(t0，t
s
)，其中，所述仿真结果为t0时刻后一段时间t0～t
s
内所有状态向量x
s
(t0，t
s
)、输入向量u
s
(t0，t
s
)和输出向量y
s
(t0，t
s
)的仿真波形，仿真数据矩阵s(t0，t
s
)＝[x
s
(t0，t
s
) u
s
(t0，t
s
) y
s
(t0，t
s
)]，其中，
[0043][0044][0045][0046]
δt
s
为仿真步长，δt
s
＝δt
r
。
[0047]
作为本发明所述的多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的一种优选方案，其中：所述通过计算录波数据矩阵和仿真数据矩阵的差值矩阵二范数对数字孪生模型的精度进行校验包括如下步骤：
[0048]
根据录波数据矩阵r(t0，t
s
)和仿真数据矩阵s(t0，t
s
)，计算录波数据和仿真数据间的距离来对重构后的多能源系统数字孪生模型的精度进行校验，重构后的模型精度μ的计算式为：
[0049][0050]
通过比较μ和提前设定好的精度阈值μ0的大小，来校验模型精度是否达标，当μ≥μ0时，输出μ值和模型精度达标的结论；
[0051]
当μ＜μ0时，输出
μ
值和模型精度不达标的结论。
[0052]
本发明的有益效果：本方法保证了数字孪生模型能一直保持在高精度的范围内，达到了判断模型精度并指导模型校正的目的。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0054]
图1为本发明一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的步骤流程图；
[0055]
图2为本发明一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的录波波形图；
[0056]
图3为本发明一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的录波断面选择示
意图；
[0057]
图4为本发明一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法的仿真波形图。
具体实施方式
[0058]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0059]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0060]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0061]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0062]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0063]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0064]
实施例1
[0065]
参照图1，本实施例提出一种多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法，包括模型精度校验触发方法和模型精度在线校验方法，可以通过实时监测数据库中系数矩阵的变动情况，基于事件触发机制来实现对系统参数随机变化后重建的数字孪生模型的实时校验。
[0066]
本方法将数字孪生模型精度校验方法细化为了5个步骤：模型重构、录波数据导入、录波断面选择、仿真数据求解、差值二范数计算，在录波数据齐全的前提下，通过选择重构后数字孪生模型的初始状态，在该时刻的断面处启动电磁暂态仿真程序，求解状态空间方程，得到仿真数据矩阵，计算录波数据矩阵和仿真数据矩阵的差值二范数进而对模型的精度进行在线校验，从而达到实时判断模型精度是否达标的目的，本方法保证了数字孪生模型能一直保持在高精度的范围内，实现准确判断模型精度并指导模型校正。
[0067]
本方法包括如下步骤：
[0068]
判断多能源系统数字孪生模型参数是否变动，根据模型参数变动情况选择是否进
行模型精度的在线校验；
[0069]
若模型参数变动，则触发模型精度的在线校验，将多能源系统数字孪生模型重构，并导入触发时刻前一定时间段内所有状态量、输入量和输出量的录波波形，得到录波数据矩阵；
[0070]
选择录波波形任一时刻的断面，作为重构后的多能源系统数字孪生模型的初始状态，在该时刻的断面处启动电磁暂态仿真程序，设定仿真时长，对重构后的多能源系统数字孪生模型执行仿真计算，求解状态空间方程，获取该时刻后一定时间段内所有状态量、输入量和输出量的仿真波形，得到仿真数据矩阵；
[0071]
通过计算录波数据矩阵和仿真数据矩阵的差值矩阵二范数对数字孪生模型的精度进行校验。
[0072]
其中，具体包括了多能源系统数字孪生模型精度校验触发方法和多能源系统数字孪生模型精度在线校验方法，
[0073]
1.模型精度校验触发方法
[0074]
s1：模型选择，利用状态空间方程来刻画多能源系统数字孪生，将其作为待校验的多能源系统数字孪生模型，并考虑到多能源系统是一个连续时间系统，连续时间系统的状态空空间方程用状态变量的一阶微分方程组表示；
[0075]
s2：事件监测，由于多能源系统数字孪生模型与实际物理系统之间存在交互，系统参数会不断变化，可以将其视作一个线性时变系统，系统参数的随机变动会导致系数矩阵发生相应的变化，将系数矩阵存入数据库中，实时监测其变动情况，将数据内容发生变动看作一次事件，从而出发模型精度的在线校验。
[0076]
2.模型精度在线校验方法
[0077]
模型重构：获取触发模型精度在线校验命令的时刻，进一步获取此时系数矩阵的变动情况，相应的将多能源系统数字孪生模型进行修改；
[0078]
录波数据导入：获取多能源系统所有的状态量、输入量、输出量的录波波形文件(comtrade格式，含起止时间)，触发校验命令后，导入该时刻前一段时间内所有状态向量、输入向量和输出向量的录波波形；
[0079]
录波断面选择：在该时刻前一段时间内选择录波波形某一时刻的断面，并得到所述某一时刻的录波数据，将其作为修改后的数字孪生模型的状态空间方程的初值，即重构后的多能源系统数字孪生模型的初始状态；
[0080]
仿真数据求解：得到重构后的多能源系统数字孪生模型在所述某一时刻的状态量、输入量、输出量后，即可在所述某一时刻的断面处启动电磁暂态仿真程序，并设定仿真时长，对重构后的多能源系统数字孪生模型执行仿真计算，并求解修改后的数字孪生模型的状态空间方程，根据仿真结果的仿真波形图得到仿真数据矩阵；
[0081]
差值二范数计算：通过上述步骤得到录波数据矩阵和仿真数据矩阵，计算波形数据和仿真数据间的距离来对重构后的多能源系统数字孪生模型的精度进行校验，数据间的距离可使用向量的特征表示，比较常见的有差值向量二范数、hausdorff距离等，本方法采用差值矩阵二范数来对模型的精度进行校验，校验过程通过重构后模型的精度和提前设定好的精度阈值比较来完成。
[0082]
实施例2
[0083]
参照图1～3，本实施例提出了一种多能源系统数字孪生模型精度在线检验方法，本方法包括如下步骤，
[0084]
(一)模型选择：利用状态空间方程描述多能源系统数字孪生模型，将其作为待校验的多能源系统数字孪生模型，其中，状态空间方程为状态变量的一阶微分方程组，表示如下：
[0085][0086]
其中，x为状态向量，x＝[x1，x2，x3，...]
t
，u为输入向量，u＝[u1，u2，u3，...]
t
，y输出向量，y＝[y1，y2，y3，...]
t
，式中各系数矩阵a、b、c、d均由系统的元件参数确定，若为线性非时变系统，则各系数矩阵a、b、c、d均为常数，若为线性时变系统，则各系数矩阵a、b、c、d均为时间函数；
[0087]
(二)事件监测：将状态空间方程式中各系数矩阵a、b、c、d存入数据库中，实时监测其变动情况，将数据内容发生变动视作一次事件，从而触发模型精度的在线校验。
[0088]
(三)模型重构：若触发多能源系统数字孪生模型在线校验命令，则获取在线校验命令的触发时刻的各系数矩阵，修改多能源系统数字孪生模型，若所述在线校验命令的触发时刻为t
s
，则修改后的多能源系统数字孪生模型表示为
[0089][0090]
其中，a
s
、b
s
、c
s
、d
s
为模型参数变动后的各系数矩阵。
[0091]
(四)录波数据导入：构建多能源系统的数字孪生模型需依赖大量的量测设备，来对多能源系统的状态量、输入量、输出量进行完备的测量、传输和存储，因此，可以得到多能源系统所有状态量、输入量和输出量的录波波形文件，在t
s
时刻触发校验命令后，导入t
s
时刻前一定时间段t
r
～t
s
内所有状态向量x
r
(t
r
，t
s
)、输入向量y
r
(t
r
，t
s
)和输出向量u
r
(t
r
，t
s
)的录波波形，如图2所示，进而得到录波数据矩阵r(t
r
，t
s
)，
[0092]
r(t
r
，t
s
)＝[x
r
(t
r
，t
s
)u
r
(t
r
，t
s
)yr(
t
r，t
s
)]，
[0093]
其中，
[0094][0095]
[0096][0097]
其中，δt
r
为录波采样时间间隔。
[0098]
(五)录波断面选择：在一定时间段t
r
～t
s
内选择录波波形某一时刻t0的断面，如图3所示，并获取所述某一时刻的录波数据r(t0)，
[0099]
r(t0)＝[x
r
(t0) u
r
(t0) y
r
(t0)]，
[0100]
其中，
[0101]
x
r
(t0)＝[x1(t0)，x2(t0)，x3(t0)，....]
t
[0102]
u
r
(t0)＝[u1(t0)，u2(t0)，u3(t0)，...]
t
[0103]
y
r
(t0)＝[y1(t0)，y2(t0)，y3(t0)，...]
t
[0104]
将其作为重构后的多能源系统数字孪生模型的初始状态。
[0105]
(六)仿真数据求解：获取重构后的多能源系统数字孪生模型在t0时刻的状态量、输入量、输出量，在t0时刻的断面处启动电磁暂态仿真程序，仿真时长设定为t
s
‑
t0，对重构后的多能源系统数字孪生模型执行仿真计算，并求解重构后的多能源系统数字孪生模型的状态空间方程，根据仿真结果，得到仿真数据矩阵5(t0，t
s
)，其中，所述仿真结果为t0时刻后一段时间t0～t
s
内所有状态向量x
s
(t0，t
s
)、输入向量u
s
(t0，t
s
)和输出向量y
s
(t0，t
s
)的仿真波形，如图4所示，仿真数据矩阵s(t0，t
s
)＝[x
s
(t0，t
s
) u
s
(t0，t
s
) y
s
(t0，t
s
)]，其中，
[0106][0107][0108][0109]
δt
s
为仿真步长，δt
s
＝δt
r
。
[0110]
(七)差值二范数计算：根据录波数据矩阵r(t0，t
s
)和仿真数据矩阵s(t0，t
s
)，计算录波数据和仿真数据间的距离来对重构后的多能源系统数字孪生模型的精度进行校验，一个实矩阵a的二范数就是a的转置矩阵与矩阵a的积的最大特征根的平方根值，
[0111][0112]
其中，eig(x)表示方阵x的特征值函数，返回向量[λ1、λ2、λ3、...、λ
n
‑1、λ
n
]
t
。
[0113]
重构后的模型精度μ的计算式为：
[0114][0115]
通过比较μ和提前设定好的精度阈值μ0的大小，来校验模型精度是否达标，
[0116]
当μ≥μ0时，输出μ值和模型精度达标的结论；
[0117]
当μ＜μ0时，输出μ值和模型精度不达标的结论。
[0118]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术
‑
包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0119]
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0120]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0121]
如在本技术所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的
线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
[0122]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。